圆塑瓶大输液自动包装生产设备的设计与应用

2018-05-14秦玉超

机电信息 2018年14期

秦玉超方超

（上海华源安徽锦辉制药有限公司，安徽阜阳236018）

0 引言

随着现代化工业时代的到来，智能设备逐渐出现在各个行业，包括制药包装领域。据美国包装和处理技术协会的一份调研报告显示，到2018年，自动包装设备在制药行业的应用率将突破70%。人工包装已经不能满足我国复杂药品包装的统一和稳定性需求，而自动化包装设备优势突出，既可以保证包装的质量和稳定性，又可以提高包装效率，节省人工成本。

随着国家医改政策的推进和塑瓶大输液市场竞争的日趋白热化，普通塑瓶大输液的销售价格呈逐年降低的趋势，60%以上的普通塑瓶大输液生产企业不同程度地出现亏损。在此背景下，使用自动化设备，减少用人成本，成为各制药企业降低生产成本的首选。

我司于2011年采购应用了两条圆塑瓶大输液生产线，该生产线年产塑瓶大输液1.2亿瓶以上，包装工序均由人工完成。2016年初，我司提出将上述两条圆塑瓶大输液（以下简称为圆塑瓶）生产线的人工包装改造为自动包装的方案，并于2016年7月得到成功实施。

本文将结合此次改造经验，探讨圆塑瓶自动包装设备的设计与应用。

1 人工包装的工艺流程及缺点

改造前，圆塑瓶生产车间分别有A、B两条生产线，对称分布，每条生产线产能为220瓶/min，每天生产18万瓶左右。A、B两条包装线在一个包装间内，各自相对独立，包装区面积约600m2。包装线上的开箱、装箱、封箱、投放垫片及印外箱三期工序均由人工操作完成，两条包装线共有100名包装工人。

1.1 人工包装的工艺流程

圆塑瓶立式贴标后，通过贴标输瓶带运至包装输瓶带，同时圆塑瓶由立式变为卧式，然后由人工抓起装入已开好并封好下箱盖的包装箱内，包装箱装满后投放垫片并用胶带封好上箱盖，现场码放整齐后运至半成品暂存区，印外箱三期后入库。以上工作全部由人工完成。以A生产线为例，改造前的人工包装设备布置如图1所示。

1.2 人工包装的缺点

（1）用人多。A、B两条包装线4个班组，两班两运转。单线各工位用人情况：开箱4人；装箱封箱16人；运至半成品区及印外箱三期5人。每组共25人，4组共100人。（2）劳动强度大。人工开箱、装箱劳动强度大，尤其是装箱，长时间工作，经常造成抓瓶子的手掌开裂、手指变形现象，很多职工工作一段时间后就不愿意再干了，给企业用人带来很大的困难（3）外箱外观质量差。人工开箱封箱时用的是胶带，不同的职工开箱封箱时粘贴的胶带长短不一；人工印外箱三期，经常有漏印、漏字或墨迹深浅粗细不一等现象，对外箱外观质量造成影响。

图1 改造前A生产线的人工包装设备布置图

2 自动包装方案的选择及工艺流程

为降低企业生产成本，提高产品质量，我司组织人员对制药行业的自动化包装设备进行了针对性调查和研究，对人工包装及自动包装方式进行了分析对比，结合实际包装瓶型、场地、产能、包装质量要求等，拟将开箱、装箱、投放垫片、封箱及印外箱三期工位改造为自动包装方式。自动包装方案的工艺流程如图2所示。

自动包装方案的工艺流程：包装箱、上下纸垫、胶带等分别由人工放置在设备物料入口；开箱机将包装箱打开并用胶带封好下底，由机械手投放下纸垫并将包装箱运送至自动装箱工位待用；塑瓶输送线将圆塑瓶输送到装箱整理机构，经整理机构整理成一定的数量，然后由装箱机械手从抓取区域抓取，一次性装入成型的纸箱中，一次装满一箱，装箱结束后自动运送至上纸垫投放工位，由机械手投放上纸垫；进入自动封箱工位，由封箱机用胶带封好上底；自动滚码；人工码放入库。

3 方案设计要点

3.1 设计原则

图2 圆塑瓶自动包装方案的工艺流程

（1）利用公司原包装场地，满足法规要求和现有产能（220瓶/min）要求；（2）实现开箱、纸垫投放、装箱、封箱、滚码自动化；（3）原贴标机不变，两条生产线各自独立，生产过程互不影响；（4）减少设备投资；（5）便于运行管理和维修；（6）最大限度地降低工人劳动强度，节约劳动力。

3.2 理论产能的确定

确定理论产能需要考虑以下因素：

（1）整条生产线上的产能瓶颈设备为吹瓶机，其稳定产能为220瓶/min。

（2）自动装箱前道工序的设备为贴标机，其实际稳定产能为240瓶/min。

（3）适当的产能储备：由于包装工序是整个大输液生产流水线的末端工序，在正常生产过程中有时会因突发的设备故障引起非正常维修，从而影响前道工序的生产，延长整个流水线作业的时间。为消除该影响，应急维修结束后，必须提高生产速度，将积压的产品在最短的时间内生产完成，这就要求包装设备有适当的产能储备。根据经验，储备系数应在1.2～1.3，即理论产能应在240×1.2=288瓶/min和240×1.3=312瓶/min之间。

（4）产能大，意味着一次性投资高，投资回收期长。

综合考虑以上因素，确定自动包装方案的理论产能为280～310瓶/min。

3.3 关键工艺设备及参数

3.3.1 关键工艺设备

关键工艺设备包括自动开箱机、投放纸垫机构、圆塑瓶整理机构、自动装箱机、自动封箱机、自动滚码机等。

3.3.2 各关键工艺设备的关键参数

3.3.2.1 自动开箱机、投放纸垫机构、自动滚码机、自动封箱机

根据自动装箱设备的理论产能，生产能力应达到280～310瓶/min。我司产品每箱40瓶，要求以上设备产能应不低于8箱/min，为更好地满足生产需求，考虑20%的设计余量，计算得到8×（1+20%）=9.6，即不低于10箱/min，确定设备的理论产能为8～10箱/min。

3.3.2.2 自动装箱机

自动装箱机的关键参数包括抓取速度、抓手尺寸与抓取负荷、抓手最大工作范围、抓手往返重复精度等。通过调查与对比抓取效果，拟设计自动装箱机的抓手方式为夹取。

抓取速度：产品装箱方式为每箱一层，排列方式为5排×8瓶=40瓶，每次抓取40瓶，该工位的理论抓取速度应与自动开箱机等设备相同，即8～10次/min。

抓手尺寸：圆塑瓶尺寸为直径63.5mm，抓手长度为63.5×8=508mm；5排抓手宽度为63.5×5=317.5mm。

抓取负荷：每次抓取40瓶250mL的大输液，对不同品种的该规格圆塑瓶大输液进行称重，每瓶重约0.275kg，理论抓取负荷为0.275×40=11kg，安全系数取1.3，即每排抓手理论负荷为11×1.3=14.3kg。

抓手重复定位精度：该参数的确定取决于外箱尺寸和实际装入瓶子尺寸的间隙大小。间隙大，产品装入容易，抓手重复定位精度要求低。间隙过大，在入库存放及运输过程中，箱子易变形，从而可能导致产品质量受到影响。正常情况下，外箱尺寸与实际装入瓶子尺寸的长宽各有2～4mm的余量，因此抓手重复定位精度不应大于1mm。

最小直线工作范围：理论的最小直线工作范围应能满足抓手从储瓶区抓起产品并通过直线移动将产品放入包装箱内的要求，即理论最小直线工作范围为自动理瓶机构宽度与纸箱输送带宽度之和。我司外箱宽度322mm、抓手宽度317.5mm与传送带宽度200mm之和为839.5mm。考虑安全系数为1.2，则最小直线工作范围为839.5×1.2=1007.4mm，实际取1m。

结合设备特性、抓手材质厚度、理瓶机构分瓶挡板厚度及安装维修空间预留等因素，最终确定的自动装箱机关键参数如表1所示。封箱胶带长短不一，人工印外箱三期经常漏印、漏字或墨迹深浅粗细不一等问题，提升了产品外观质

表1 自动装箱机关键参数

3.4 改造后的工艺设备布置

以A生产线为例，改造后的自动包装设备布置如图3所示。量。（3）改造时间短，改造费用低。在原包装场地进行改造，用时15天，不影响车间正常生产。每套自动包装设备投资60万元，两套共投资120万元，6个月

图3 改造后A生产线的自动包装设备布置

4 改造后的使用效果

我司两条圆塑瓶生产线于2016年7月完成了自动包装设备的改造，已连续运行了一年多时间，运行效果如下：

（1）减少了操作人员，节省了人工成本。两条圆塑瓶输液生产线原采用人工包装，共有操作人员100人；改造后，每组10人，共用40人，减少60人，按照每人每月3500元工资计算，每年节约工资支出252万元。（2）降低了劳动强度，提高了产品外观质量。改造前，工人需要手工装箱、封箱，劳动强度大，工作条件差。改造后，全自动化操作，大幅降低了工人的劳动强度，改善了工作条件。同时，解决了人工即可收回投资成本。